통속의 뇌 001

매트릭스, 통속의 뇌. 늘 재미있는 컨셉이라고 생각했다.

C. elegans (예쁜꼬마선충)을 시뮬레이션한 프로젝트를 본 적이 있다. 302개 뉴런을 통째로 시뮬레이션하는 것. 멋지긴 하지만, 단순한 생물이니 그러려니 했다.

그런데 Eon Systems라는 회사에서 초파리 뇌를 시뮬레이션해서 컴퓨터 안에서 움직이게 시켰더니, 그 가상 초파리가 실제 초파리처럼 움직이는 것이 아닌가.

코오… 도대체 어떻게 하는 것일까.

비밀은 Connectome

찾아보니 깃헙 레포와 organization에서 많은 힌트를 얻을 수 있었다.

eonsystemspbc / fly-brain

Drosophila brain simulation with spiking neural networks

그 기저에는 초파리의 뇌를 모두 데이터화하는 (Connectome이라고 하는) 엄청난 노가다 작업이 뒷받침되어 있었다. 성체 초파리의 경우 약 14만 개의 뉴런과 수천만 개의 시냅스가 매핑되어 있다.

또 하나 재미있었던 건 MuJoCo 모델이다. 물리 시뮬레이션용으로 사용한 것으로 보이는데, fly body까지 모델링해 놓았다.

그런데, 파리는 너무 징그럽다

초파리 애벌레는 어렸을 때 귀여웠던 것 같다. 조그마하니.

그래서 결심했다. 초파리 유충에 대해서 Eon Systems의 방법론을 재현해 보고자 한다. 이름하여 Oraclarva 프로젝트.

다행히도 유충에 대한 데이터도 상당히 잘 갖춰져 있다. L1 유충의 완전한 뇌 커넥톰이 2023년에 발표되었고 (3,016 뉴런, 548,000 시냅스), 운동 회로, 행동 패턴에 대한 연구도 축적되어 있다.

해야 할 일은 대략 이렇다:

커넥톰 데이터 확보 — 유충 뇌의 뉴런·시냅스 연결 지도
스파이킹 뉴럴 네트워크 구현 — LIF 모델 기반 뇌 시뮬레이션
MuJoCo 바디 모델 — 유충의 물리적 몸체 시뮬레이션
감각-운동 루프 연결 — 뇌가 몸을 제어하고, 몸이 뇌에 피드백

참고 논문 & 자료

뇌 지도 (Connectome)

Winding et al. 2023 — Science 초파리 L1 유충의 완전한 뇌 커넥톰. 3,016 뉴런, 548,000 시냅스. 곤충 뇌 전체가 시냅스 수준에서 매핑된 건 이게 처음이다. https://doi.org/10.1126/science.add9330

Eichler et al. 2017 — Nature L1 유충 버섯체(mushroom body) 완전 커넥톰. 223 케니언 세포. 학습과 기억의 핵심 회로. https://doi.org/10.1038/nature23455

Ohyama et al. 2015 — Nature 다중감각 행동 선택 회로. 유충이 자극에 따라 행동을 결정하는 경로. https://doi.org/10.1038/nature14297

뇌 시뮬레이션

Shiu et al. 2024 — Nature 성체 초파리 뇌의 LIF(Leaky Integrate-and-Fire) 시뮬레이션. 유충에 적용할 모델의 원본 레퍼런스. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07763-9

몸 시뮬레이션 & 생체역학

Sun et al. 2022 — BMC Biology 유충 crawling의 신경역학 모델. 근육 힘 134µN, 속도 0.64mm/s, SLS 모델 등 실측 파라미터. MuJoCo 바디 모델의 핵심 레퍼런스. https://doi.org/10.1186/s12915-022-01336-w

Wang-Chen et al. 2024 — Nature Methods NeuroMechFly v2. 성체 초파리 MuJoCo 시뮬레이션. “유충판” 아키텍처 참고. https://doi.org/10.1038/s41592-024-02497-y

VNC & CPG (운동 회로)

Fushiki et al. 2016 — eLife 유충 crawling 파 전파 회로. A27h(흥분)-Eve(억제) 인터뉴런이 후방→전방 파를 만든다. VNC 스파이킹 회로의 직접적인 근거. https://doi.org/10.7554/eLife.13253

Pulver et al. 2015 VNC를 뇌에서 분리해도 운동 패턴이 발생한다 → CPG가 뇌가 아니라 VNC에 있다는 증거.